中小型流域城市化典型区土地利用/覆被变化与预测

李柳杰，刘丙军，韦秋莹

(1.中山大学土木工程学院，广东 珠海 519082；2.华南地区水循环与水安全广东省普通高校重点实验室，广东 珠海 519082；3.南方海洋实验室，广东 珠海 519000)

随着中国城市化进程飞速发展，城镇用地近二十年扩展提速、工矿用地加速扩张导致人均耕地资源十分紧张[1-2]，耕地中心逐步由东北向西北移动，呈现“南减北增”的变化趋势[3]，人地矛盾日益突出，已经严重阻碍中国可持续发展战略实施[4-6]。被城镇用地所覆盖的中小型流域，由于人造地表大面积占用导致自身系统调节能力严重受损，人口与自然平衡遭到破坏。当前，以流域为单元的土地利用研究成果十分丰富，但如何将其真正应用到流域可持续管理中还存在疑问[7]。探究中小型流域在城镇化进程快速推进背景下土地利用时空演变格局，对于中国城市化地区缓解人地矛盾及可持续发展具有重要意义。

当前，国内外众多学者开展了快速城市化背景下土地利用格局演变研究。国际上，Hashem Dadashpoor等[8]分析1996—2016年伊朗大不里士都市区快速城市化对景观格局变化影响，研究发现，过去二十年大量生态用地(如草地、林地等)转变为城市用地，城市扩张已是普遍趋势；Gong等[9]利用景观指标量化广州市耕地和建设用地景观格局变化，结果表明广州城市扩张速度前所未有，耕地碎片化显著，建设用地聚集。国内，王甜等[10]利用灰色预测模型来模拟吉隆坡市2025年土地利用，探讨快速城市化进程下港口城市用地转变规律；孙善良等[11]分析陕西省土地利用时空演变特征，发现陕西生态环境脆弱，不宜进行大规模工业化、城市化。当前，对于土地利用格局演变研究内容，国外研究侧重于景观格局、土地利用变化与可持续性等方面，国内研究主要集中在土地生态评估、土地利用及其评价、国土空间规划、土地利用格局转变驱动因素等方面[12]，国内驱动因素研究对象主要以气候、人口、社会经济、产业结构、政策为主，而针对城市化进程中景观湖泊等水利工程建设对土地利用变化的影响研究较少。

当前，中国存在大量以工业为经济支柱的高密度开发中小型流域，城市扩张已严重威胁当地生态安全，未来土地利用转变走向对于该类地区发展至关重要。本文选取典型城市化地区白云湖流域为研究对象，基于流域1980、1990、2000、2010、2020年5期土地利用数据，分析该流域土地利用结构、空间格局变化特征，讨论白云景观湖泊建成前后对该研究区土地利用带来的影响，并借助CA-Markov模型对模拟流域未来2030年土地利用，揭示该区域40 a间土地利用变化格局及未来演变趋势，为白云湖流域及其他高密度开发地区土地管控、开发利用提供参考依据。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

白云湖流域属珠江水系，主要由与白云湖相连的海口涌、环滘涌、滘心涌、石井河组成，位于东经113°10′～113°19′、北纬23°8′～23°17′，面积120 km2左右。地势自东南向西北逐渐降低,除东南部丘陵地带白云山风景区较高总体较为平坦。主要土壤类型为冲击土和人为土。气候类型为海洋性亚热带季风气候，年平均气温20～22℃，年平均降雨量1 675.5 mm。研究区东南部以林地覆盖为主，城中村、工业园区聚集在中部地区，由于工业园区以及居民地扩张，占用大量生态用地，到2020年建设用地占整片流域70.13%，生态基础性用地密度低于0.3，生态环境日益脆弱。白云湖流域地理位置见图1。

1.2 数据来源

本文采用1980、1990、2000、2010、2020年5期土地利用数据，分辨率为30 m，数据来源于资源环境科学与数据中心(http://www.resdc.cn)，所用数据统一采用Krasovsky_1940_Albers坐标系投影，将研究区用地划分为耕地、未利用地、林地、草地、水田及建设用地6种地类。

2 研究方法

2.1 土地利用变化参数

2.1.1土地利用动态度

土地利用动态度能够反映区域土地利用变化动态速率，分为单一土地利用动态度和综合土地利用动态度[13]。单一土地利用动态度反映区域研究期间某一用地变化速率；综合土地利用动态度反映研究期间区域用地整体变化速率[14]，见式(1)、(2)。

(1)

(2)

式中K——流域单一土地利用动态度；U2、U1——研究区初期、末期某一地类面积；T、(t2-t1)——研究时长；LC——流域综合土地利用动态度；ΔLAij——研究初期第i类土地利用到末期转化为其他用地绝对值；ΔLAi——流域第i类土地利用研究初期面积。

2.1.2土地利用强度

土地利用强度是反映区域土地利用受人为活动影响的可视化特征指数，目前采用较多方法是刘纪远等[15]划分土地利用强度等级方法，具体划分为未利用地1级，林地、草地、水体2级，耕地3级，建设用地4级。

土地利用强度综合指数和变化率，具体公式如下：

(3)

(4)

(5)

式中L——土地利用强度综合指数；Ai——流域第i级用地强度分级指数；Ci——流域第i级土地利用占流域总面积百分比,%； ΔLb-a——流域研究初期到研究末期土地利用强度综合指数变化量；La、Lb——流域研究初期和末期土地利用强度综合指数；Cia、Cib——流域研究初期和末期第i级土地利用占总面积百分比,%；Rb-a——研究期间流域土地利用强度综合指数变化率；若ΔLb-a>0或Rb-a>0,表明流域处于发展上升期。

2.2 标准差椭圆

利用标准差椭圆模型描绘流域建设用地空间转移特征，主要由圆心、长短半轴、旋转角组成[16]。圆心代表某一地类分布中心位置。椭圆长半轴反映各用地分布方向，短半轴反映分布范围。长短半轴值差距越大(椭圆越扁)，代表用地分布方向性越明显。短半轴表示各用地分布范围，短半轴越短，数据集群特征越明显；反之，短半轴越长，各用地类型离散程度越大。算数平均中心SDE(x,y)、旋转角tanθ与长、短半轴σx、σy计算公式如下[17]：

(6)

tanθ=

(7)

(8)

2.3 未来土地利用预测方法

CA模型(元胞自动机)能够在实现土地利用动态模拟过程中，综合人为因素(人口、经济、政策等)和自然因素(地形、地貌等)影响。Markov模型是基于随机过程预测随机变量各时刻可能存在状态的理论方法，通过计算各用地转移概率矩阵，确定未来变化趋势[18]。

CA-Markov模型综合2种模型优势，既能对复杂空间过程进行模拟，同时进行长时间序列预测[19]。模型误差参数设置为0.1，预测时间跨度为10年。白云湖流域由于城市化高度发展，城镇居民地覆盖广泛，交通设备完善。CA-Markov模型能综合考虑这些因素，来修正土地转换规律。

3 结果与分析

3.1 土地利用结构变化特征

利用五期土地利用数据进行重分类，结果见图2，1980—2020年林地分布集中，主要分布在流域东南部丘陵地区，40 a间面积大小基本保持一致；耕地、未利用地分布被建设用地划分相对零散，主要分布在流域西北部区域；建设用地前期分布零散，村镇以点状分布；2000年城市化水平加快，建设用地分布逐渐集中，占据主导地位。

白云湖流域多年来，建设用地分布最为广泛，年平均占比达51.77%，占据主导地位；林地基本不变，面积在17 km2上下浮动，多年来平均占比维持在14.42%；耕地以及未利用地面积逐年下降，耕地从1980年的29.68 km2下降到2020年的2.07 km2；草地多年来面积占比最小，年平均占比为0.48%。

3.2 土地利用动态转移特征

根据白云湖流域土地利用变化趋势，分别计算该流域各10 a间共4个阶段土地利用动态度，结果见表1。

a)40 a间耕地、未利用地不断转出，建设用地持续转入，林地、草地整体处于转出状态。耕地和未利用地单一动态度多年一直为负，表明该两种地类研究期间持续转出；耕地转出速率先上升后下降，1990—2000年转出速率达到最快，为-6.54%；未利用地转出速率在2000—2010年达到最快，为-6.67%，此时耕地和未利用地流失剧烈；林地变化速率较小，常年保持稳定；草地因2010年遥感影像解译所得面积太小，动态度异常，不具统计意义；建设用地常年持续转入，变化速率先上升后下降，1990—2000年达到最快，2010—2020年由于此阶段流域城市化水平相对较高，变化速率减缓。

b)从综合土地利用动态度来看，40 a间流域土地利用整体变化速率先上升后下降。1980—2020年土地利用变化速率为0.94%，流域不断发展；2000—2010年土地活动最为活跃，变化速率达1.87%，土地流转频繁，主要由于城镇建设占用大量耕地和未利用地；2010—2020年土地利用变化速率减缓，土地利用功能逐渐单一化，结构趋于稳定。

表1 白云湖流域土地利用动态度 %

3.3 土地利用空间格局特征

3.3.1土地利用强度分析

将流域各网格土地利用强度分为极低强度(100～182)、低强度(182～245)、中强度(245～300)、高强度(300～360)、极高强度(360～400)5个级别，见图3，1980—2020年流域土地利用强度逐年增加，40年间土地利用强度综合指数变化率达23.4%，流域处于上升发展期；1980—1990年土地利用强度指数仅增加0.02，城市发展速度缓慢；2000—2010年土地利用强度指数剧增，10年增加45.78，土地开发活动最为剧烈，大量土地用于居民地建设及工业园区扩建；2010—2020年土地利用强度指数仅增加1.11，由于白云人工湖建成，城市化速度减缓，土地结构进一步固定。

从土地利用强度空间分布可以看出，1980—2020年流域土地利用强度变化显著。1980年极低强度和低强度地区分布集中，低强度片区主要位于流域东南部白云山风景区，该区主要用地为林地，土地结构单一，受人为活动影响较低，土地利用强度低；土地利用极低强度区域除个别零散村庄开发程度较高之外主要集中在流域西北部地区；土地利用高强度和极高强度区主要沿石井河两岸分布，位于石井和新市街道之间。2020年土地利用高强度及极高强度地区占流域71.03%，极高强度地区占64.81%；除去白云山风景区以及白云湖、珠江水域三处固定地类，剩余用地中94.26%达到高强度及极高强度土地利用标准，流域高度发展，建设用地大面积扩张，土地利用集约度高。

3.3.2城镇扩张标准差椭圆分析

分析白云湖流域1980—2020年城镇扩张空间转移特征，见图4。1980—2020年耕地持续向城市、商业用地转化，建设用地标准差椭圆扁率逐年上升，方向性越明显，城市建设中心总体先西北方向扩张，再向西南方向扩张。1980—1990年正处改革开放初期，城市建设还在筹备阶段，建设用地中心转移特征不明显；1990—2000年改革开放不断深入，流域内沿石井河、夏茅涌两岸兴建工业街，标准差椭圆长半轴逐年增加，方向性逐渐显著；到2010年流域内主体经济发展模式由传统渔业、农业逐渐转向轻工业、房地产业，工厂及城中村沿河涌相继建设，标准差椭圆长半轴变长，建设中心向西北方向加速移动，城镇中心向西北方向总体位移839.07 m；2010—2020年由于中心区域白云人工湖建设，城镇逐渐向西南方向扩张，总体位移518.56 m。

3.4 城市景观湖库对周边土地利用影响

由于白云湖景观湖泊建设，部分城市用地向林地、水域转移，使流域中心城区土地利用强度降低，改变各地类空间转移趋势，城市化速度减缓，有利于未来土地利用格局管控。2010年未建成白云人工湖之前流域土地利用强度指数为335.08，建成后2020年土地利用强度指数为336.19，增幅较小，10 a仅增加1.11，土地利用强度上升减缓。

分别选取流域流入、流出面积最大的2种地类(耕地、建设用地)进行空间展示，见图5，耕地除流域西边一块区域，其余大部分转换成建设用地；中心地带除白云景观湖泊建设，其余部分地类逐渐转换成建设用地，土地结构趋于单一化，集聚特征明显，土地管控仍有待加强。

4 白云湖流域未来土地利用情景模拟

将模拟结果与实际流域2020年土地利用现状作精度评价，Kappa系数达到0.92，表明CA-Markov模型在白云湖流域适用性较高，可以用于未来土地利用模拟。模拟结果与实际土地利用现状对比见图6。

白云湖流域未来2030年土地利用模拟结果见图7。未来2030年流域用地转移调整为以林地转入和建设用地转出为主，城镇建设空间得到一定管控。与2020年相比，2030年流域林地有所扩张，增加5.71 km2，增率为33.11%；草地面积增长0.53 km2，由于基数较小，所得增率没有统计学意义；流域未来水体、未利用地面积基本不变；耕地此时面积仅2.07 km2，但仍处于转出状态，基本农田得不到有效保护；由于白云湖景观湖库建成，占用部分建设用地，改变各地类空间转移趋势，城市化速度减缓，使得建设用地与前40 a扩张趋势相反，整体不增反减，减少6.66 km2。模型预测结果显示，未来白云湖流域城镇扩张趋势减缓，城市化速度减慢，表明白云湖景观湖库的建成，使得未来研究区各地类空间转移趋势改变，对白云湖流域土地利用变化起到一定控制作用。此外研究区2020—2030年林地扩张、建设用地缩减，生态空间得到保护，这趋势也符合《广州市国土空间总体规划(2018—2035年)》控制要求。因此城市景观湖泊的建设能够有效控制国土空间开发强度、强化生态底线管控。

5 结论

本文以白云湖流域为研究对象，分析流域40 a间土地利用结构变化、空间格局变化特征，并借助CA-Markov模型模拟流域未来2030年土地利用。

a)1980—2020年流域用地以建设用地为主导，年平均占比达51.77%，其次为林地、未利用地、耕地。40 a间耕地、未利用地、林地、草地处于转出状态，水体及建设用地持续转入。

b)1980—2020年土地利用强度逐年增加，流域处于上升发展期。2020年土地利用高强度地区占流域71.03%，城镇扩张达到极限，土地利用集约度高。

c)由于白云湖景观湖泊建设，占用部分建设用地，使得未来2030年流域用地转移调整为以林地转入和建设用地转出为主，城市化速度减缓，表明城市景观湖泊的建设能够有效优化城镇土地利用格局、控制国土开发强度，但生态基础性用地密度仍低于国家要求，生态环境依然脆弱，今后应加大改善生态环境力度。